作為非晶無機非金屬材料的一種，玻璃的理論強度比實際強度大得多。
例如，人們生活中常見的玻璃材料，理論強度通常能達到幾個 GPa 甚至十幾個 GPa，但其實際強度卻在 500MPa 左右，僅有前者的 1% 甚至更少。(編者註：Pa 是國際單位制中壓強的單位，這裡的 1 GPa=1000 MPa。)
促使玻璃的實際強度非常低的原因有很多，缺乏微觀結構控制的增韌作用就是其中一種。簡單來說，玻璃的韌性很低，非常容易開裂，給其技術應用造成了根本性的限制。
目前，相關領域的研究人員一般採用以下幾種策略對玻璃進行鋼化。
其一，調整玻璃的外部應力。先對玻璃實施熱處理，然後再快速冷卻，使其表面形成一個應力層，能夠在遭受外部力量的衝擊時，幫助抵消一部分應力。
其二，調整玻璃的內部結構。比如通過化學組分設計，進一步提升玻璃的韌性。
其三，原位析晶法。控制玻璃的退火溫度，使其能夠析出一部分晶體，進而提升一定的韌性。需要說明的是，該方法存在缺陷，只有在特殊的體系中，在析出晶體的尺寸被控制得非常好的條件下，才不會破壞玻璃的光學特性。
基於此，為了不影響玻璃性能的發揮，該領域的科學家們仍在孜孜不倦地追求更好的玻璃鋼化策略。
近期，來自德國拜羅伊特大學、寧波大學和北京高壓科學研究中心等單位的研究人員，以鋁矽酸鹽玻璃為例，通過准晶化對氧化物玻璃進行了特殊增韌。
他們通過高溫、高壓的方式對玻璃進行了退火處理，來調控其固有的短程有序原子級結構，從而均勻形成了遍布玻璃結構的類晶體中程有序團簇。
這些類晶體團簇的尺度約為 1 納米，當受到外部應力時，首先會失穩，然後會朝著初始的玻璃態發生轉變。也就是說，應力作用會促使類晶體相變為非晶態，並導致塑性變形。
圖丨准晶氧化物玻璃的增韌機理（來源：Nature Materials）
事實上，氧化物玻璃幾乎不存在塑性變形。一旦出現塑性變形，就會極大程度提升玻璃的韌性。
「這種提升來源於兩個方面。首先，塑性變形會消耗一部分能量，縮短玻璃裂紋傳播的距離。其次，塑性變形會改變裂紋尖端的形態，讓這裡的類晶體得以重新分配，進而阻止裂紋擴展。」拜羅伊特大學洪堡博士後唐虎（現為吉林大學教授）解釋道。
圖丨唐虎（來源：唐虎）
實驗數據顯示，該氧化物玻璃的韌性從原來的 0.66 MPa m1/2，實現了兩倍以上的提升，達到 1.99 ± 0.06 MPa m1/2，超過此前文獻報道過的所有塊狀氧化物玻璃的韌性。
這裡值得一提的是，由美國康寧公司生產的、在高端智慧型手機螢幕中應用的大猩猩玻璃以超高的韌性而聞名，但其韌性也僅僅只有該氧化物玻璃的 1/3。
近日，相關論文以《通過准晶化增韌氧化物玻璃》（Toughening oxide glasses through paracrystallization）為題在 Nature Materials 上發表[1]。
圖丨相關論文（來源：Nature Materials）
唐虎為該論文的第一作者兼共同通訊作者，寧波大學副研究員肖文戈和北京高壓科學研究中心生紅衛教授擔任論文的共同通訊作者。
需要說明的是，目前基於該研究得到的玻璃樣品尺寸僅為毫米級別，並沒有實際應用的空間。這主要是因為，採用高溫、高壓的方式無法獲得尺寸較大的塊體玻璃材料。
因此，在接下來的研究中，該課題組希望能探索一些可以將壓力降至常壓的方法，進而得到更大尺寸、能夠商用的類晶體玻璃。
同時，他們也計劃開發更多更簡單的體系，使得增韌效應可以達到最大化。此外，其甚至想推動玻璃材料出現宏觀的塑性變形，讓玻璃能夠實現如橡皮一般的可拉伸或可壓縮的狀態，以便更好地製備耐衝擊或耐破壞的材料。
「總的來說，我們的成果提供了一種有效的玻璃增韌策略，並強調了通過熱處理方式改變玻璃原子結構，能給材料的強度帶來重大影響。」唐虎表示。
如果後續他們能將壓力進一步降低，甚至實現常壓，就有可能開發出可以廉價和大規模製備的高韌性氧化物玻璃材料，從而進一步擴大玻璃的應用範圍和應用極限。
參考資料：
1. Tang, H., Cheng, Y., Yuan, X. et al. Toughening oxide glasses through paracrystallization. Nature Materials. 22, 1189–1195 (2023). https://doi.org/10.1038/s41563-023-01625-x